CN112336910A - 一种含icg染料的激光生物组织焊接助焊剂 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种含ICG染料的激光生物组织焊接助焊剂，属于激光外科及激光辅助缝合领域助焊材料。该助焊剂为：ICG水溶液加牛血清蛋白，再与水溶性壳聚糖混合搅拌均匀。该助焊剂具有优良的生物相容性，易体内吸收降解，且能增强激光生物组织焊接力学性能，控制热损伤，适用于激光外科领域的生物组织焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种含ICG染料的激光生物组织焊接助焊剂，属于激光生物组织焊接领域。
背景技术
激光外科及激光辅助缝合领域助焊材料，主要用于医学激光外科皮肤组织等软组织缝合焊接，是一种生物相容性良好、焊缝力学性能优良的新型、无毒副作用助焊剂。
针对针线缝合具有的严重缺陷，生物组织激光辅助缝合是一种已在外科领域中提出的技术，用以克服一些可能在传统针线缝合过程中出现的问题。经广泛证明，在激光焊接的伤口中，无排异反应，更好更快的愈合过程，经过组织结构的重组的过程，形成无瘢痕、即时水密闭合伤口，从而降低了感染的风险[1]。激光组织缝合有两种不同的方法：1.激光组织焊接(LTW)，其中激光能量应用于组织的边缘；2.激光组织钎焊(LTS)，在激光加工之前，在组织的近边缘上添加物质(如焊料)。尽管近年来取得了重大的实验成果，但激光焊接技术的应用受大面积热损伤、低结合强度和结果不一致的限制，以及缺乏结果的高度再现性。
为了验证和推动激光焊接在外科中的广泛应用，必须建立一种标准且安全的方法。在被焊接的组织上使用蛋白质焊料有望克服这个问题，因为它提供了额外的蛋白质来加强结合，而不会触发排异反应。为了增强激光吸收，可以在蛋白质焊料中添加合适的染料。这将激光产生的热量集中到蛋白质焊料区域，防止底层组织过热。使用发色团的另一个优点是使激光器的波长更接近吸收峰。LTS已成功应用于血管、软骨和皮肤等多种组织的吻合。而传统光敏剂发色团的使用有一个明显的局限性，例如有机染料(例如吲哚菁绿，ICG)，当储存在水溶液或分散体中时，这些染料表现出较弱的光化学稳定性、在生物环境中的过度扩散性和不适当的稳定性。显然，发色团的成分导致激光生物组织焊接不适于标准化。文和平等人利用金纳米颗粒制成的生物组织激光助焊剂对生物组织焊接强度有极大的提升效果，但金纳米颗粒价格昂贵，极大地增加了生物组织激光焊接的成本，不利于推广应用。因此，研究发明含染料、高生物相容性、无毒稳定助焊剂以满足低成本、高强度激光生物组织焊接的需要，是目前激光外科的热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含ICG染料的激光生物组织焊接助焊剂。
实现本发明目的提供技术方案如下：
含ICG染料的激光生物组织焊接助焊剂，的助焊剂为吲哚菁绿(ICG)、牛血清蛋白(BSA)和水溶性壳聚糖的混合溶液。
进一步的，生物组织助焊剂按质量分数为：ICG：BSA:壳聚糖：水＝0.005～0.01:0.9-1.1:9～11:90～110。
进一步的，吲哚菁绿(ICG)，分子式为C43H47N2NaO6S2，牛血清蛋白(BSA)均为分析纯。
进一步的，壳聚糖为分子量在1000-1500的水溶性壳聚糖。
进一步的，生物组织助焊剂配制方法为：将吲哚菁绿分散到水溶液中搅拌20min至均匀，加入牛血清蛋白与壳聚糖搅拌成胶体状，密封低温-6℃冷藏2h。
进一步的，生物组织助焊剂当需要制成染料浓度呈梯度分布时，制备方法为先将水与按需配比的牛血清蛋白、水溶性壳聚糖混合，搅拌均匀，密封低温冷藏2小时形成胶体，然后加入吲哚菁绿染料，待其自然扩散20-30分钟，即可形成自上至下染料浓度梯度逐渐减少的助焊剂，根据需要可切成薄片等形状填充待焊切口。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：
1、该助焊剂可以显著提高生物组织无缝线激光辅助缝合的抗拉强度，同时有效降低热损伤；
2、相对于金纳米颗粒等添加剂的原料昂贵，不易推广；本发明助焊剂成本低，原料易获取；
3、该助焊剂可焊接大于4mm以上组织，针对较厚组织制成逆浓度梯度助焊剂，实现全层焊透。
附图说明
图1：在激光工艺参数保持一致的前提条件下，不同染料种类助焊剂对焊接拉伸强度分布柱状图。
图2：在激光工艺参数保持一致的前提条件下，染料种类保持不变的前提下，焊接抗拉强度随浓度变化趋势折线图。
图3：在激光工艺参数保持一致的前提条件下，染料种类保持不变的前提下，正浓度梯度与逆浓度梯度对焊接拉伸强度影响趋势折线图。
图4：激光生物组织焊后焊缝组织切片图：(a)未使用助焊剂(b)施加含ICG染料的激光生物组织焊接助焊剂。
图5：激光生物组织焊接助焊剂施加位置及激光焊接过程示意图。
图6：激光生物组织焊接焊后组织形貌及组织切片图。
图7：浓度梯度助焊剂及染料扩散方向示意图。
具体实施方式
根据本发明的“含ICG染料的激光生物组织焊接助焊剂”的质量配比，叙述本发明的具体实施方式如下。
实施例1
一种含ICG染料的激光生物组织焊接助焊剂，其特征是：成分按质量分数配比为：0.007％的ICG，1％的BSA，9％的壳聚糖，余量为水。
上述成分配比得到的含ICG染料的激光生物组织焊接助焊剂提高了1064nm波长激光的吸收率，在皮肤组织焊接中具有优良的稳定性。焊缝抗拉强度达到12～14N/cm2，保留焊缝蛋白质纤维结构，热损伤较小。焊缝组织切片如图4所示。
由图4可知，未使用助焊剂时，由于形成全层焊透且完整的焊缝需要大量热输入，因此焊缝组织中的蛋白质完全融化，空间结构解体，呈均匀透明状；而添加燃料ICG的助焊剂能定向增大激光吸收率，热量利用率提升，形成完整焊缝的同时保持了蛋白质的空间结构，降低了热损伤程度，交错的蛋白质纤维相互穿插，增大了摩擦力，进而又提升了焊缝拉伸强度。
实施例2
一种含ICG染料的激光生物组织焊接助焊剂，成分按质量分数配比为：0.0085％的ICG，0.8％的BSA，7％的壳聚糖，余量为水。
上述配比得到的含ICG染料的激光生物组织焊接助焊剂使用方法为填充到待焊组织焊缝中，使切口闭合对齐无缝隙，如图5所示。
本实施例具体操作步骤如下：
(1)配制含ICG染料的激光生物组织焊接助焊剂。将150mg/L浓度的ICG水溶液100mL加1g牛血清蛋白(BSA)，再与10g水溶性壳聚糖混合搅拌成胶体状，密封低温冷藏。
(2)将助焊剂涂敷填充到待焊皮肤组织焊缝中，且保持焊缝整齐闭合无缝隙。
(3)涂完助焊剂的待焊组织固定于夹具中，打开激光，设置参数，开始焊接。其中，保持组织不移动，以激光光斑的移动来完成整条焊缝的焊接，光斑移动以激光振镜驱动。
(4)待焊接完成，从夹具中取出焊后皮肤组织。焊后组织形貌及组织切片如图6所示
实施例3
一种含ICG染料的激光生物组织焊接助焊剂，其特征是：成分按质量分数配比为：0.01％的ICG，0.9％的BSA，11％的壳聚糖，余量为水。
本实施例具体操作步骤如下：
(1)配制含ICG染料的激光生物组织焊接助焊剂。先将水与按需配比的牛血清蛋白、水溶性壳聚糖混合，搅拌均匀，密封低温冷藏2小时形成胶体，然后加入吲哚菁绿染料，待其自然扩散20-30分钟，即可形成自上至下染料浓度梯度逐渐减少的助焊剂，如图7所示。根据需要可将助焊剂块体切成0.6mm厚薄片，填充于待焊切口。
(2)将助焊剂薄片填充到待焊皮肤组织焊缝中，高浓度一侧置于激光远端，且保持焊缝整齐闭合无缝隙。
(3)涂完助焊剂的待焊组织固定于夹具中，打开激光，设置参数，开始焊接。
(4)待焊接完成，从夹具中取出焊后皮肤组织。
上述实施例基于生物组织助焊剂配制方法为，将吲哚菁绿分散到水溶液中搅拌10min至均匀，加入牛血清蛋白与壳聚糖搅拌成胶体状，密封低温-6℃冷藏2h成固体。
当被焊皮肤组织厚度大于4mm时，所述的生物组织助焊剂需要制成染料浓度呈梯度分布，制备方法为先将水与按需配比的牛血清蛋白、水溶性壳聚糖混合，搅拌均匀，密封低温冷藏2小时形成胶体，然后加入吲哚菁绿染料，待其自然扩散20-30分钟，即可形成自上至下染料浓度梯度逐渐减少的助焊剂，根据需要可切成薄片等形状填充待焊切口。
本发明与以往研究相比，区别如下
1)发现了选择合适的染料种类可以显著增强生物组织焊接拉伸强度，降低热损伤程度的规律。
在助焊剂中添加各种不同的助焊剂时，当添加的染料为吲哚菁绿(ICG)时，助焊剂对焊缝的抗拉强度有显著提升效果，降低热损伤程度。由于生物组织含水量较高，因此水对激光的吸收效果决定了激光的吸收效率，而水分子吸收峰所在区域的激光波长对生物组织的穿透效果不好，无法完成一定厚度的焊接。穿透能力较强波长为1064nm的Nd：YAG激光与吲哚菁绿的组合恰好能平衡穿透深度与激光吸收的矛盾，达到既满足焊接深度，又满足焊接强度的效果，且保证最低的热损伤。
在本发明的试验过程中，研究发现，吲哚菁绿增加了焊缝激光吸收率。吲哚菁绿最大吸收峰为780nm，生物组织中水在近红外区的最大吸收峰为1440nm，引入吲哚菁绿助焊剂将生物组织焊缝的吸收峰由原来的1440nm处向波长更小的方向偏移，从而更接近1064nm，进而增大对激光的吸收率。亚甲基蓝的吸收峰为664nm，相对偏移较大，激光吸收率较吲哚菁绿低。且由于染料对激光具有引导作用，激光能量定向作用于助焊剂焊缝区域，控制了热损伤范围，降低了热损伤程度。
2)试验验证并优选了吲哚菁绿(ICG)的添加浓度及在焊缝中分布的浓度梯度
通过“二分法”发现了吲哚菁绿最佳浓度为150～200mg/L，此时生物组织激光焊接获得的焊缝拉伸强度最高。图1表明，选择合适的染料，施加位置为正面，即正浓度梯度时，其焊接拉伸强度大于12N/cm2，力学性能与文献报道的添加纳米金颗粒的助焊剂相当。各种成分优化结果表明，吲哚菁绿染料浓度应控制在120～170mg/L范围内，从图3可以看出，当浓度超过200mg/L时，其焊缝抗拉强度低于10N/cm2，说明其虽然提升了对激光的吸收率，但过量的热造成了蛋白质纤维结构的破坏，对于提升强度的效果变差。
Claims (6)
1.含ICG染料的激光生物组织焊接助焊剂，其特征在于，所述的助焊剂为吲哚菁绿(ICG)、牛血清蛋白(BSA)和水溶性壳聚糖的混合溶液。
2.根据权利要求1所述的助焊剂，其特征在于，所述的生物组织助焊剂按质量分数为：ICG：BSA:壳聚糖：水＝0.005～0.01:0.9-1.1:9～11:90～110。
3.根据权利要求1所述的助焊剂，其特征在于，所述的吲哚菁绿(ICG)，分子式为C43H47N2NaO6S2，牛血清蛋白(BSA)均为分析纯。
4.根据权利要求1所述的助焊剂，其特征在于，所述的壳聚糖为分子量在1000-1500的水溶性壳聚糖。
5.根据权利要求1-4任一项所述的助焊剂，其特征在于，生物组织助焊剂配制方法为：将吲哚菁绿分散到水溶液中搅拌20min至均匀，加入牛血清蛋白与壳聚糖搅拌成胶体状，密封低温-6℃冷藏2h。
6.根据权利要求5所述助焊剂，其特征在于，所述的生物组织助焊剂当需要制成染料浓度呈梯度分布时，制备方法为先将水与按需配比的牛血清蛋白、水溶性壳聚糖混合，搅拌均匀，密封低温冷藏2小时形成胶体，然后加入吲哚菁绿染料，待其自然扩散20-30分钟，即可形成自上至下染料浓度梯度逐渐减少的助焊剂，根据需要可切成薄片等形状填充待焊切口。
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